電火花線切割加工技術(shù)最新研究進(jìn)展

豆尚成,趙萬生,顧 琳,奚學(xué)程

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

近年來電火花線切割加工無論在加工過程控制,還是改進(jìn)加工工藝方面都取得了許多新的進(jìn)展。主要表現(xiàn)在突破了許多傳統(tǒng)觀念的束縛,產(chǎn)生了一些新的加工方法,以及一些新的控制和檢測(cè)方式,這些進(jìn)展既提高了加工質(zhì)量,也提高了加工效率,不僅可在去離子水中加工,也可在其他混粉電介質(zhì)溶液中加工,大大擴(kuò)展了這一技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。限于篇幅,下面僅就幾項(xiàng)最新技術(shù)成果加以介紹。

1 加工工件的在線厚度辨識(shí)

對(duì)于電火花線切割加工,特別是加工階梯狀的工件,斷絲和加工不穩(wěn)定始終是降低加工效率的主要因素。傳統(tǒng)的方法是針對(duì)工件最薄處來設(shè)置加工參數(shù),然而,這樣雖然降低了斷絲的可能性并保持了穩(wěn)定的加工,卻大大降低了加工速度。因?yàn)楹茈y在線得到工件的厚度并設(shè)置合適的加工參數(shù),因此發(fā)展了許多近似數(shù)學(xué)模型來估計(jì)工件的厚度。這些模型表示了放電能量和材料去除率之間的關(guān)系,其中模型系數(shù)通過大量的實(shí)驗(yàn)獲得。然而這樣的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型只適用于加工厚度逐漸變化的工件,對(duì)于厚度突然增加或者減少的工件卻不適用。為此,一個(gè)多輸入的動(dòng)態(tài)和隨機(jī)模型被用來描述平均間隙電壓,放電頻率和機(jī)床進(jìn)給速度之間的關(guān)系[1-2]。對(duì)于iso能量型的電火花線切割機(jī)床,有研究者提出了特定放電能量的概念。電火花加工過程涉及許多因素,從放電能量的觀點(diǎn)看,每一個(gè)放電都是一個(gè)能量輸出,能量分布在工件、電極絲以及在材料去除中的有效能量消耗上。它受許多因素的影響,比如:工件和電極絲之間的間隙、噴流壓力、電介質(zhì)的導(dǎo)電性以及放電持續(xù)時(shí)間等;對(duì)于典型波形的放電電壓和電流,可計(jì)算出單次放電能量以及單位時(shí)間內(nèi)的放電能量。考慮到放電過程中的非正常放電(電弧放電或短路)以及實(shí)際用于材料去除的能量所占總能量的比率,可得出有效放電功率;而被定義為去除單位體積材料的特定放電能量,不但與有效放電功率有關(guān),還受到間隙寬度、工件高度以及電極絲進(jìn)給速度的影響。因此,可得出材料去除量與放電頻率之間關(guān)系的等式。其中的系數(shù)與文獻(xiàn)[1]中不同,前者與放電持續(xù)時(shí)間、特定放電能量、放電效率、間隙寬度以及正常放電比率有關(guān),而后者只是放電頻率的函數(shù),當(dāng)工件高度改變時(shí)加工特性也發(fā)生改變,因此在估計(jì)到工件高度之前,很難得到正確的厚度辨識(shí)系數(shù)。由于影響高度辨識(shí)參數(shù)的值涉及許多變量且數(shù)量龐大,很難在線全部檢測(cè)到,所以為了簡(jiǎn)化厚度辨識(shí)過程,首先用文獻(xiàn)[1]中等式辨識(shí)出工件厚度,然后乘上一個(gè)修正因子,就得到了最終辨識(shí)工件厚度,而修正因子是初始辨識(shí)到的工件厚度的函數(shù)。實(shí)踐證明[3],這種辨識(shí)工件厚度的方法是可行的、精確的,辨識(shí)誤差小于1mm,并能很快完成。

2 電極絲偏差的在線檢測(cè)

在電火花線切割加工過程中,雖然電極絲被施加了特定的張力以盡量保持電極絲的直線性,但由于絲的柔韌性,不可避免地會(huì)在加工過程中產(chǎn)生一定的延遲,特別是在絲的中部。文獻(xiàn)[4]提出了一種結(jié)合攝像機(jī)和CCD的技術(shù)來測(cè)量電極絲經(jīng)過工件時(shí)的偏差,這樣,就可建立電極絲的偏差模型,用合適的方法來控制拐角切割,提高零件的加工精度。

該技術(shù)用兩種方法來測(cè)量電極絲偏差,并比較它們的測(cè)量值,這樣,設(shè)計(jì)者就可根據(jù)測(cè)量到的偏差值,來設(shè)置加工參數(shù),使電極絲偏差控制在允許的范圍之內(nèi)。方法一被稱為攝像機(jī)圖象分析法(Camera Picture Analysis),簡(jiǎn)稱CPA。其過程為用一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲得切割工件邊沿的加工錄像,可拍攝到在不同時(shí)間不同高度的電火花放電,通過計(jì)算電火花首次出現(xiàn)在工件和在指定位置上的時(shí)間偏差值,就能得到電極絲的偏差值;分析選定位置,那么就可畫出電極絲的偏差曲線。方法二被稱為截面測(cè)量法(Cross Section Measurement),簡(jiǎn)稱CSM 法。其過程為在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)下切割工件,然后,突然關(guān)掉放電電源,那么確切的電極絲偏差就會(huì)保留在工件上,把工件放在高精度電子顯微鏡下,就能得到精確的電極絲偏差曲線。實(shí)驗(yàn)表明由CPA方法和CSM方法測(cè)量的電極絲偏差的趨勢(shì)是一樣的,但由CPA測(cè)量的偏差值比CSM測(cè)量的值約小10%～20%,通常來說,CSM測(cè)量的結(jié)果會(huì)更接近真實(shí)的切割狀況。根據(jù)CPA和CSM方法測(cè)得的偏差值,改變不同的加工參數(shù),以減少電極絲偏差。

3 基于浮動(dòng)閥值的放電間隙狀態(tài)的檢測(cè)

在電火花線切割加工中,放電間隙狀態(tài)對(duì)于伺服控制以及脈沖電源的自適應(yīng)控制是一個(gè)很重要的依據(jù)。目前廣泛應(yīng)用的固定閥值法很難用來測(cè)量非矩形間隙電壓波形,文獻(xiàn)[5]提出了浮動(dòng)閥值法來檢測(cè)間隙電流和測(cè)量與間隙峰值電流成比例變化的電壓閥值,這樣就可以在線實(shí)時(shí)地區(qū)分3種不同的放電狀態(tài)(開路、放電和短路)。

在傳統(tǒng)脈沖電源的主電路中帶有限流電阻,間隙電壓和間隙電流為矩形。然而,在節(jié)能型電源中,去掉了限流電阻,它的電壓和電阻波形呈三角形狀。與傳統(tǒng)的電源比較,節(jié)能型電源的間隙電壓和間隙電流以一定的斜率增長(zhǎng)。具有放電電壓的短路電壓也較高,特別是在高電流和大脈寬加工中,因此,固定電壓閥值法很難測(cè)得這兩種狀態(tài)。通過電路分析以及實(shí)驗(yàn),我們知道放電電壓和短路電壓為平行曲線,因此,可在放電和短路曲線之間設(shè)定一條曲線來區(qū)分這兩種狀態(tài),由于放電電壓和短路電壓隨著間隙電流的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),就可得到浮動(dòng)閥值電壓。通過同樣的原理和計(jì)算方法,可利用另外一個(gè)浮動(dòng)閥值電壓區(qū)分放電和開路狀態(tài)。

浮動(dòng)閥值法的檢測(cè)電路由5個(gè)部分組成:間隙電壓采集和濾波模塊,電流采集模塊,放大器,信號(hào)比較和狀態(tài)區(qū)分模塊(圖1)。首先,電流傳感器采集間隙電流,通過放大器模塊,間隙電流分別被作為放電與短路之間及放電與開路之間的電壓閥值,在比較模塊中與濾波間隙電壓比較,就可得到開路狀態(tài)信號(hào)和短路狀態(tài)信號(hào),并被送到狀態(tài)區(qū)分模塊,產(chǎn)生開路信號(hào)、放電信號(hào)、斷路信號(hào)和脈沖信號(hào)。

圖1 放電間隙狀態(tài)浮動(dòng)閥值檢測(cè)框圖

4 加工表面在線修正技術(shù)

電火花線切割機(jī)床通常應(yīng)用于加工硬質(zhì)合金方面,然而典型的表面缺陷(如裂縫、微小的凹坑以及表面再凝固層等)降低了表面的一致性和零件的壽命,因此,人們期望通過一些方法來去除這些表面缺陷。文獻(xiàn)[6]提出了一種新的“表面在線修正技術(shù)”來完全去除工件上的表面缺陷。通過這種在電火花線切割加工后的表面一致性切割工藝(the Process of surface integrity cut)簡(jiǎn)稱SI-cut,在線地去除切割電火花機(jī)床加工過程中產(chǎn)生的表面缺陷。在SI-cut過程中,工件和電極之間會(huì)發(fā)生電解現(xiàn)象。

在電火花線切割加工中,SI-cut加工發(fā)生在去離子水的正極工件和負(fù)極電極絲之間,這里沒有放電現(xiàn)象,而只有電解現(xiàn)象在工件和電極絲的間隙里產(chǎn)生,工件和電極絲之間的間隙通常由加工條件決定。SI-cut加工的過程如下:通常,在3次線切割后讓電極絲沿同樣的路徑加工,并設(shè)置電極絲的偏移量為0μm,這時(shí)開路電壓比在第三次切割時(shí)的電壓要低,因此在工件和電極絲之間很難產(chǎn)生放電現(xiàn)象;在SI-cut加工中,去離子水的導(dǎo)電率較低,可以假定電解現(xiàn)象是穩(wěn)定的,且去離子水逐漸地注入間隙中,那么,可認(rèn)為再凝固層包括裂縫在電解中被溶解或者被鈷的氧化物去除。在SI-cut后,通過掃描電子顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)工件表面完全被碳化鎢和碳化鎢微粒覆蓋。碳化鎢是硬質(zhì)合金的主要成分,在SI-cut加工后均衡地分布在加工表面,因此觀察不到由WEDM加工后產(chǎn)生的裂縫和微小凹坑等表面缺陷。如果在SI-cut加工過程中產(chǎn)生火花放電,那么就會(huì)在工件表面形成裂縫,因此必須測(cè)量電流波形,以保證在該過程中只產(chǎn)生電解現(xiàn)象。通過觀察比較第三次放電加工和SI-cut加工時(shí)的電流波形可發(fā)現(xiàn),在第三次放電過程中有電流峰值,而在SI-cut加工中沒有電流峰值產(chǎn)生。

5 混粉對(duì)電火花線切割加工的影響

在電火花加工中,粉狀懸浮電介質(zhì)被用來提高材料去除率和提高表面質(zhì)量。文獻(xiàn)[7]首次提出了粉狀懸浮電介質(zhì)在電火花線切割中的應(yīng)用,并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究,分析了不同電極絲材料、粉狀物濃度和加工參數(shù)對(duì)平均間隙寬度、材料去除率、表面粗糙度等的影響。結(jié)果表明,粉狀懸浮物電介質(zhì)在電火花線切割中的應(yīng)用可提高加工質(zhì)量,但提高的數(shù)量取決于粉狀物的濃度,而粉狀物的濃度隨著工件材料的不同而不同。

6 結(jié)論

本文介紹了電火花線切割機(jī)床以及加工工藝方面的一些最新技術(shù),電火花線切割技術(shù)主要圍繞提高加工表面質(zhì)量和加工速度、擴(kuò)大電火花線切割加工范圍來展開。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電火花線切割技術(shù)實(shí)踐研究表明,創(chuàng)新思維和深入細(xì)致的基礎(chǔ)研究是電火花線切割加工向深度和廣度發(fā)展的基石。

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